微胶囊赖氨酸制备工艺及其缓释效果的研究

牛化欣，祝爱侠，常 杰，谢中国，过世东，*

(1.江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江南大学食品学院，江苏无锡 214122; 2.内蒙古民族大学动物科技学院，内蒙古通辽 028000)

微胶囊赖氨酸制备工艺及其缓释效果的研究

牛化欣1，2，祝爱侠1，常 杰2，谢中国1，过世东1，*

(1.江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江南大学食品学院，江苏无锡 214122; 2.内蒙古民族大学动物科技学院，内蒙古通辽 028000)

为了制备在虾类配合饲料里能被吸收利用的赖氨酸微胶囊(M－Lys)，分别以质量分数为10%的玉米醇溶蛋白(Zein)(溶于75%乙醇溶液，并以3%油酸为包衣液增塑剂)和聚丙烯酸树脂混合液(Resin)(溶于75%乙醇溶液，并以5%柠檬酸三乙酯为包衣液增塑剂)为壁材，采用流化床空气悬浮法制备M－Lys，采用正交实验优化了微胶囊包埋工艺条件:包衣室温度45℃、包衣液速度100mL/min及喷雾压力0.12MPa。在此条件下，所得Zein微胶囊包埋率为82.3%; Resin微胶囊包埋率为80.3%。经SEM观察颗粒外形不规则，大小不均匀，无晶体棱角，结果表明Zein和Resin对多棱角的晶体赖氨酸(C－Lys)具有较好的包埋效果。两种M－Lys在人工模拟胃液60min内赖氨酸的累积溶解释放率分别为16.6%(Zein)和32.8%(Resin)，显著低于在相同时间内未包被赖氨酸的溶解率。

微胶囊，流化床，晶体赖氨酸，工艺优化，缓释

赖氨酸是饲料工业中的第一大氨基酸［1］。在养殖动物日粮中添加赖氨酸已广泛应用，但是在反刍动物［2］和某些种类的水产动物［3－4］尤其是虾类［5－6］的日粮中直接添加晶体赖氨酸没有良好的效果，其主要是由于饲料中蛋白质结合氨基酸在动物消化道内吸收不同步造成的。因此，应选择适宜壁材，采用包被或微胶囊工艺制备缓释氨基酸，是解决此问题的理想途径。这也使得晶体氨基酸的微胶囊工艺、保护效果及其利用技术一直成为了氨基酸营养性添加剂研究的热点。目前，国内外已成功利用包被技术对反刍动物瘤胃氨基酸［7］和鱼类氨基酸进行包被［8］，而制备虾饲用赖氨酸微胶囊还未有报道。选择适合的壁材和工艺条件是制备赖氨酸微胶囊的关键，而制备虾类饲用赖氨酸微胶囊必须符合的条件:其一是耐高温，不溶或缓溶于水;其二是颗粒大小适中≤60目，且分布均匀;其三是流动性好，便于混合均匀等。根据L－赖氨酸盐酸盐特性，可采用流化床空气悬浮法工艺制备赖氨酸微胶囊。流化床空气悬浮法是最经典的微胶囊化方法之一［9－10］，已广泛应用于食品、化工、药物、陶瓷、聚合物、饲料等行业中［11－16］。本实验着重探讨壁材种类选择、包衣液浓度、包衣液流速、喷雾形式等因素对赖氨酸微胶囊化效率的影响，并对制备的微胶囊产品进行了表征和体外释放的研究，以期制备出符合在虾类日粮中添加的赖氨酸微胶囊作为饲料营养性添加剂。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

L－赖氨酸盐酸盐 Lys有效含量78.8%，安迪苏(Adisseo)，无锡大江集团;玉米醇溶蛋白(Zein) 江苏吴江市八坼药用辅料厂;聚丙烯酸树脂II和III (药用肠溶型Resin II) 连云港万泰医药材料有限公司;油酸(增塑剂)、柠檬酸三乙酯(TEC增塑剂)、无水乙醇 均为化学纯，国药集团化学试剂有限公司。

FLP－型流化床制粒包衣机 常州市奇琪干燥制粒设备有限公司;FW100型高速粉碎机 天津泰斯特仪器有限公司;NDL型旋转式粘度计 上海精密科学仪器有限公司;高效液相色谱仪(Agilent 1100)

美国安捷伦公司;Quanta－200型扫描电子显微镜(SEM) 荷兰FEI公司。

1.2 实验方法

1.2.1 原料预处理 将晶体赖氨酸用高速粉碎机粉碎成粉末(粒径≤60μm)。

1.2.2 赖氨酸微胶囊制备流程 将玉米醇溶蛋白和薄膜包衣预混剂(Resin II和 Resin III)分别溶入75%乙醇溶液中，加入3%的油酸和柠檬酸三乙酯(TEC)分别作为两种溶液的增塑剂，搅拌使其完全溶解脱泡，40℃水浴恒温形成稳定均匀的包衣液。取500g L－赖氨酸盐酸盐粉末置入流化床包衣室中，通入压缩空气使颗粒悬浮在包衣室。设置一定的包衣液流速(V)，包衣室温度(T)，喷雾压力(P)，进行流化床制粒包衣。喷入一定量的包衣材料，重复此包埋过程，直到涂层(壁材)达到所需要的微胶囊厚度。然后45℃流化干燥5min，制得赖氨酸微胶囊。

1.2.3 赖氨酸微胶囊化工艺条件参数优化实验 采用正交实验，以微胶囊包埋效果(微胶囊包埋效率)为评价指标，设计3因素3水平正交实验(见表1)，考察各因素对微胶囊包埋效果的影响，以确定赖氨酸微胶囊包埋的最佳工艺参数。

1.3 赖氨酸微胶囊化的效果评定

粘度的测定:取一定量不同配比的包衣液，分别在30、40和50℃条件下通过粘度计测定其粘度。微胶囊化效果用微胶囊包埋效率来衡量，其公式如下。

表1 赖氨酸微胶囊工艺优化正交实验表Table 1 Orthogonal experiments on microencapsulation technology parameter

取5g赖氨酸微胶囊产品置于盛有50mL去离子水的烧杯中，使表面晶体赖氨酸盐酸盐溶于水，再用滤纸将残液过滤掉，然后将剩余的物质在65℃烘干至恒重，此物质中的赖氨酸含量即是微胶囊内赖氨酸含量。

微胶囊内赖氨酸和微胶囊总赖氨酸含量的测定:两种样品各取约90mg分别置于两个100mL的具塞容量瓶中，用去离子水定容至100mL;再将容量瓶置入超声波洗涤器中破碎30min，使微胶囊内赖氨酸完全溶解;然后利用高效液相色谱仪测定赖氨酸的含量。

1.4 赖氨酸微胶囊表面结构的观察

用导电双面胶将微胶囊粉末固定在金属样品平台上，在真空中喷涂钯金后，置于电子扫描显微镜中以20kV电子束观察，拍摄微胶囊颗粒的形貌照片，观察其粒径的大小和表面结构。

1.5 不同壁材的体外释放

1.5.1 人工模拟胃液的配制 取9mL的浓盐酸，加约800mL蒸馏水及胃蛋白酶10g，pH约为2.5，混匀后待用。准确称取10.0g赖氨酸微胶囊，置入容量瓶中，用人工模拟胃液定容至100mL，恒温(25±1)℃，搅拌速度为 100r/min。在 0、5、15、30、60、90和120min时间点，分别取10mL上清液，样品采用高效液相色谱仪测定赖氨酸的含量。每个样品重复测定3次。

1.5.2 饲料中晶体氨基酸体外缓释效果评价 人工肠液配制:参照对虾消化液(肝胰脏和肠液)pH和蛋白酶活配制。将磷酸二氢钾13.6g溶入1000mL去离子水中，其溶液再用0.4%NaOH溶液调节pH至7. 8;另将胰蛋白酶10g加适量去离子水溶解，再将两液混合，然后用去离子水定容至2000mL。

1.5.3氨基酸添加量、虾饲料配方及制作方法 参考Chowdhury等［17］，制作3种饲料，分别为基础饲料(Control)、晶体饲料(Crystalline Lys，C－Lys)和微胶囊饲料(Microcapsule Lys，M－Lys)。取约8g颗粒饲料(120℃条件制粒)置于消化液内，分别在浸滤30、60、120min时，取部分颗粒饲料;将浸滤后的颗粒饲料和最初的颗粒饲料(未滤浸)置于烘箱内，在65℃温度烘干4h;将在30、60、120min时所取的浸滤颗粒和最初颗粒饲料研磨，用高效液相色谱仪测定赖氨酸和蛋氨酸含量，计算其在消化液中的释放率，其公式为如下。

AA释放率(%)=［(饲料AA含量－基础饲料AA含量)－(浸滤后饲料AA含量－浸滤后基础饲料AA含量)］/(饲料AA含量－基础饲料AA含量)×100%

2 结果与讨论

2.1 温度对不同浓度壁材粘性变化的影响

微胶囊壁材应具有良好的溶解性、乳化能力和干燥特性。食品和饲料领域常用的壁材为无毒副作用，来源广的材料。根据赖氨酸微胶囊产品的要求和流化床包衣工艺，本实验选择玉米醇溶蛋白(Zein)和薄膜包衣预混剂(Resin II∶Resin III=1∶1)为壁材。在30、40和50℃温度条件下，分别测定6%、8%、10%浓度的溶液粘度的变化，以期在其范围内选择适宜的浓度作为包衣液。

玉米醇溶蛋白和薄膜包衣预混剂的溶解性受溶液温度的影响，如表2所示。一般情况下，随着温度的升高，两者的溶解性的增大。但是作为包衣材料，必须具有一定壁材/芯材比例，才能达到包衣效果;并且包衣溶液粘度太大，不利于喷雾涂层。适宜的包衣液温度，是使包衣液保持具有低粘性和预设浓度的必要条件。本实验表明，选择75%乙醇溶液，在40℃温度下，10%玉米醇溶蛋白或薄膜包衣预混剂溶液能满足作为包衣液的条件。

表2 温度对不同浓度壁材玉米醇溶蛋白和薄膜包衣预混剂粘度变化的影响(mPa·s)Table 2 Effect temperature on viscosity of different level Zein and Resin II/Resin III solution(mPa·s)

在一定温度范围内，玉米醇溶蛋白和薄膜包衣预混剂溶液随着温度的升高，两者包衣液粘度均下降。因此在既保证壁材的成膜性好和包埋率高，又要保证在喷雾包衣加工工艺中顺利进行，必须选定在一定温度下具有符合要求粘度的包衣液。在40℃条件下，10%玉米醇溶蛋白和薄膜包衣预混剂包衣溶液的粘度分别为88.7mPa·s和98.8mPa·s。超过此粘度在喷雾包衣——干燥过程制备微胶囊时，会出现包衣液进料不流畅、堵塞喷嘴和流化床内物料粘结团聚等不良现象。因此本实验选择在40℃恒温条件下，10%玉米醇溶蛋白或薄膜包衣预混剂溶液作为L－赖氨酸盐酸盐包衣液。

2.2 赖氨酸微胶囊盐酸盐工艺参数的优化实验

微胶囊包埋效果不仅受芯材壁材的比例的影响，还受到包衣液流速、包衣室温度和喷雾压力等条件因素的影响［18］。因此采用正交实验设计，分别以玉米醇溶蛋白和薄膜包衣预混剂溶液为包衣液，按照表1设定的参数，在不同包衣液流速、包衣室温度和喷雾压力条件下进行喷雾包衣干燥，以包埋率为评价指标。其微胶囊包埋率正交实验结果及方差分析如表3和表4所示。

由极差分析表明，Zein和Resin分别作为包衣液，其影响因素的大小依次均为包衣室温度、包衣液流速及喷雾压力。最佳组合均为A2B3C2。即微胶囊化工艺参数最佳组合为包衣液流速100mL/min、包衣室温度45℃及喷雾压力0.12MPa。由方差分析表明:Zein作为包衣液制备赖氨酸微胶囊，其包衣液流速、包衣室温度和喷雾压力对微胶囊包埋率影响不显著(P＞0.05);Resin混合液作为包衣液制备赖氨酸微胶囊，其包衣液流速和喷雾压力对微胶囊包埋率影响不显著(P＞0.05)，而包衣室温度对微胶囊包埋率影响显著(P＜0.05)。

表3 微胶囊配方优化的正交实验结果Table 3 Results of orthogonal experiment

表4 微胶囊化工艺参数正交实验结果方差分析Table 4 Results of variance analysis on microencapsulation processing parameters orthogonal experiment

2.3 赖氨酸微胶囊盐酸盐最佳工艺组合验证

由优化实验得赖氨酸微胶囊最佳工艺组合，即壁材分别为玉米醇溶蛋白和聚丙烯酸树脂混合液质量分数10%(所用乙醇溶液浓度75%，3%油酸和5%TEC分别作为Zein和Resin包衣液增塑剂)、包衣室温度45℃、包衣液速度100mL/min及喷雾压力0.12MPa。在此条件下分别进行3次验证实验，所得Zein微胶囊包埋率分别为82.4%、80.9%、83.6%; Resin微胶囊包埋率分别为79.6%、80.4%、80.9%。均与各正交实验所得结果基本一致，因此，该制备条件确定为最佳工艺包埋条件。

2.4 赖氨酸微胶囊盐酸盐SEM表面结构观察

用SEM观察粉末和微胶囊的超微结构可以得到工艺条件对产品质量影响的直接证据。从图1可以看出粉碎后的晶体赖氨酸粒径在0～60μm，大小不均一，粒型不规则，多棱角不圆整。从图2可看出在本实验最佳包埋条件下制得的微胶囊粒径约在160μm左右，壁材包覆粉末，无晶体状，无粘连现象。

图1 晶体赖氨酸粉末的表面结构Fig.1 SEM photo of crystalline lysine flour

图2 赖氨酸微胶囊颗粒的表面结构Fig.2 SEM photos of microencapsulation lysine

2.5 不同壁材体外释放分析

C－Lys和M－Lys在25℃人工胃液中的累积释放曲线如图3所示。从图3可见，0～5min内C－Lys在人工胃液快速溶解，在10min内几乎完全溶解。而M－Lys在60min内，Lys累积溶解释放率只有16.6% (Zein)和 32.8%(Resin)，显著低于在同时间点C－Lys的累积溶解释放率。引起M－Lys溶解释放的，可能有两个原因，其一是在M－Lys表面吸附有少量的晶体赖氨酸粉末，在人工胃液中立即溶解，在0～10min释放，属于初期的突释行为;其二是随着壁膜在人工胃液中的吸水、膨胀和裂解，少部分C－Lys逐渐从微胶囊内溶解释放出来，这与壁材种类有密切关系。因此，制备出的M－Lys在人工模拟虾类胃液中具有保护作用。

从图4可看出，添加在饲料中的 C－Lys和M－Lys，在人工肠液中，饲料C－Lys在大约30min时释放84%左右，而饲料M－Lys释放34%。Control组结合蛋白氨基酸(赖氨酸)的释放与饲料C－Lys组的释放曲线，在各同一时间点有较大差别，而与饲料M－Lys组释放曲线基本一致。

图3 C－Lys和两种不同壁材M－Lys在人工胃液中的溶解释放曲线(n=3)Fig.3 Cumulative release profile of the C－Lys and M－Lys in simulated gastric fluid in vitro(n=3)

图4 饲料中C－Lys和壁材为Zein M－Lys在人工肠液中的释放曲线(n=3)Fig.4 Release profile of the C－Lys and Zein M－Lys in simulated intestinal fluid in vitro(n=3)

3 结论

选用不同的壁材，采用流化床空气悬浮法，制备出虾用赖氨酸微胶囊盐酸盐。通过正交实验确定赖氨酸微胶囊包埋最佳条件为:壁材分别为10%质量分数的玉米醇溶蛋白或者聚丙烯酸树脂混合液(所用乙醇溶液浓度75%，3%油酸和5%TEC分别作为Zein和Resin包衣液增塑剂)、包衣室温度45℃、包衣液速度100mL/min及喷雾压力0.12MPa。在此条件下，所得Zein微胶囊包埋率为82.3%;Resin微胶囊包埋率为80.3%。最终的两种壁材微胶囊产品经SEM观察，颗粒外形不规则，大小分布广，表面光滑，无晶体棱角，表明对形状无规则、多棱角的C－Lys具有较好的包埋效果。对C－Lys粉末微胶囊包埋处理后，有效防止了其在水中快速溶失，对虾胃液和肠液分别具有保护作用和释放作用，从而使赖氨酸营养性添加剂在虾类饲料中应用范围更加广泛。

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Study on preparation process and release mechanism of microencapsulation lysine

NIU Hua－xin1，2，ZHU Ai－xia1，CHANG Jie2，XIE Zhong－guo1，GUO Shi－dong1，*
(1.State Key Laboratory of Food Science and Technology，School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China; 2.School of Animal Science and Technology，Inner Mongllia University for the Nationalties，Tongliao 028000，China)

In order to prepare microencapsulation lysine，which could be absorbed and utilized in shrimp feed，the wall materials and the technology of embedding by fluidized bed were studied.The mass fraction of 10%Zein (dissolved in 75%ethanol，and 3%oleic acid as the coating liquid plasticizers)and polyacrylic acid resin mixture (Resin)(dissolved in 75%ethanol and 5%triethyl citrate as the coating liquid plasticizers)as wall material，respectively，used offluidized bed airsuspension prepared M－Lys，orthogonaltestto optimize the microencapsulation embedded conditions:coating room temperature 45℃，coating liquid speed 100mL/min，spray coating liquid pressure 0.12MPa.Under these conditions，Zein and Resin of the microencapsulation embedded rate reached to 82.3%and 80.3%，respectively.By SEM observation of particles of irregular shape，uniform size，no crystal edges and corners，and the results showed that the Zein and Resin of the multi－angular crystalline lysine (C－Lys)has a good embedding results.Two kinds of M－Lys within 60min in artificial gastric juice dissolves the release of lysine accumulation rates were 16.6%(Zein)and 32.8%(Resin)，significantly lower than at the same time，uncoated lysine dissolution rate.

microencapsulation;fluidized bed;crystalline lysine;process optimization;release

TS201.2

B

1002－0306(2012)08－0252－05

2011－07－25 *通讯联系人

牛化欣(1978－)，男，博士研究生，主要从事水产动物饲料加工与营养方面研究。

浙江省国内科技合作与成果引进转化项目(2007d70SA450004);内蒙古民族大学博士科研启动基金(BS255)。